含瓦斯煤變形破壞特征及滲透行為研究.pdf

1、瓦斯既是煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸等煤礦災(zāi)害的主要誘因,同時(shí)又是一種不可再生的清潔能源,實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采,不僅能提高煤礦安全生產(chǎn)水平,還將改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu),對(duì)保障我國(guó)的能源安全有重要意義。而我國(guó)煤層普遍具有高瓦斯、低滲透、強(qiáng)吸附的特點(diǎn),其中煤層滲透率比美國(guó)低2?3個(gè)數(shù)量級(jí),瓦斯抽采難度極大,對(duì)煤層進(jìn)行人工增透成為實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采的有效途徑。因此,充分認(rèn)識(shí)含瓦斯煤巖體變形破壞及其滲透性演化規(guī)律,定量描述煤層增透效果,對(duì)于實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采具有

2、極其重要的意義。本文針對(duì)含瓦斯煤變形破壞特征及其滲透行為,開展了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬研宄。主要研宄內(nèi)容如下:
　　(1)利用MTS815和高壓瓦斯?jié)B透試驗(yàn)系統(tǒng)分別對(duì)型煤和原煤試樣進(jìn)行了單軸、三軸壓縮試驗(yàn)以及瓦斯?jié)B透試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)原煤的單軸和三軸抗壓強(qiáng)度分別為型煤的10.3倍和3.7倍,單軸和三軸彈性模量分別為型煤的75.1倍和12.7倍,型煤的塑性破壞形式和原煤的脆性破壞形式截然不同。型煤的初始滲透率是原煤的20倍,而破壞后

3、型煤滲透率為原煤的90％。試驗(yàn)研宄結(jié)果表明目前以型煤試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)煤礦瓦斯抽采設(shè)計(jì)與施工極易造成重大安全隱患。
　　(2)利用三軸壓縮試驗(yàn)研宄了不同瓦斯壓力下原煤的力學(xué)性質(zhì),結(jié)果表明:隨著瓦斯壓力的增加,原煤剛度和強(qiáng)度逐漸降低,峰值破壞劇烈程度逐漸減弱,煤樣逐漸由脆性劈裂破壞向延性剪切破壞轉(zhuǎn)變。針對(duì)不同瓦斯壓力下煤巖體損傷破壞特征,定義了煤巖體雙標(biāo)量損傷模型,同時(shí)考慮孔隙瓦斯壓力和吸附膨脹應(yīng)力作用,建立了新的含瓦斯煤彈性損傷本構(gòu)模型

4、。
　　(3)利用三軸瓦斯?jié)B透試驗(yàn)研宄了原煤損傷破壞過(guò)程中的滲透特征,結(jié)果表明:隨著瓦斯壓力的增加,原煤滲透率逐漸減小;滲透率與體積應(yīng)變呈良好的線性關(guān)系?；谄桨辶严读鲃?dòng)方程建立了煤體滲透率與裂隙體積應(yīng)變的關(guān)系,考慮了瓦斯壓力和吸附瓦斯對(duì)裂隙體積應(yīng)變的影響,并首次引入了表征裂隙面粗糙度和裂隙迂曲度對(duì)滲透率影響的比例系數(shù),建立了新的滲透率演化模型。
　　(4)基于所建立的損傷本構(gòu)和滲透率演化模型,自行開發(fā)了相應(yīng)的三維彈性損傷和

5、滲透性耦合分析有限元程序,實(shí)現(xiàn)了對(duì)采動(dòng)煤巖體的損傷及滲透率演化的定量描述。并以單一煤層開采為例,對(duì)不同瓦斯壓力下采動(dòng)煤巖體損傷和滲透率演化特征進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明:隨工作面從30m推進(jìn)到150m,工作面前方煤體損傷范圍也由5m增加到30m左右,損傷區(qū)內(nèi)滲透率最大可增加2-3個(gè)量級(jí),且相對(duì)于煤層瓦斯壓力IMPa的計(jì)算結(jié)果,煤層瓦斯壓力6MPa情況下工作面前方煤體損傷度最大增加19%,滲透率比率最大可增加85%。計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際基本